田平

中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司

新型機(jī)械密封設(shè)計(jì)

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機(jī)械密封是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中廣泛應(yīng)用的裝置，是處理旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封的密封裝置。機(jī)械密封大約于1885年首先在英國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利，1956年在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了平衡型密封專(zhuān)利和中間環(huán)密封。隨著原子能、宇航和核電等工業(yè)發(fā)展提出的特殊要求，又出現(xiàn)了流體動(dòng)壓密封和流體靜壓密封、螺旋機(jī)械密封組合和浮環(huán)機(jī)械密封組合等新結(jié)構(gòu)。機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和原理上的創(chuàng)新，使機(jī)械密封性能不斷提高。

我國(guó)采用機(jī)械密封較晚，1956年開(kāi)始試制泵用機(jī)械密封，1966年開(kāi)始生產(chǎn)機(jī)械密封。1975年機(jī)械部頒發(fā)了“泵用機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)”，1978年化工部頒發(fā)了“釜用機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)”，為我國(guó)機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

機(jī)械密封結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)是提高機(jī)械密封性能的重要途徑。對(duì)于工作環(huán)境為高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的情況，需要采用一種新型結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封—GMA型機(jī)械密封。

GMA型機(jī)械密封從結(jié)構(gòu)上采用軸套、動(dòng)靜環(huán)托架、靜環(huán)浮動(dòng)、O型密封圈與擋圈配合使用，這種新形式的設(shè)計(jì)使機(jī)械密封具有高性能，在實(shí)際應(yīng)用中起到了很好的效果。

一、設(shè)計(jì)條件

1.密封設(shè)備：反應(yīng)釜

2.密封直徑dz=125mm

3.介質(zhì)壓力：5.5Mpa,

4.介質(zhì)溫度：300℃，

5.軸轉(zhuǎn)速30～200rpm

6.介質(zhì)名稱(chēng)：NaOH,PH=11.5

7.運(yùn)轉(zhuǎn)方式：主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，

8.檢修周期12個(gè)月

9.軸的振動(dòng)及偏擺量：0.5mm

10.泄漏量允許極限：8ml/h

二、GMA機(jī)械密封的設(shè)計(jì)

2.1.本結(jié)構(gòu)的確定

由于工作環(huán)境為高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)故選用雙端面非平衡結(jié)構(gòu)，引入隔離液進(jìn)行保護(hù)。由于軸徑較大，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)使用小彈簧結(jié)構(gòu)。補(bǔ)償機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的推力作用到靜環(huán)上。靜環(huán)可沿軸向浮動(dòng)。動(dòng)環(huán)固定在軸套上。動(dòng)靜環(huán)的輔助密封均采用橡膠O型圈加聚四氟乙烯擋圈的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可防止橡膠密封圈在高壓下變形失效，增加了輔助密封的可靠性。為降低密封端面的溫度，采用循環(huán)水冷卻，冷卻水分兩路獨(dú)立進(jìn)出，一路通冷卻水套，使被密封介質(zhì)在進(jìn)入密封箱體前進(jìn)行冷卻，另一路通密封箱體，給箱體降溫。密封端蓋處內(nèi)置軸承。

2.2.料確定

在腐蝕性介質(zhì)下，密封零件經(jīng)受著化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，尤其在密封端面上，由于摩擦使腐蝕生成物被破壞，此種現(xiàn)象周期性的循環(huán)，產(chǎn)生磨蝕，其磨蝕速度約為無(wú)摩擦作用表面的腐蝕率的10～50倍。因此，摩擦副應(yīng)選擇即耐腐蝕又耐磨的材料。否則機(jī)械密封無(wú)法可靠的工作。因此，動(dòng)環(huán)選用碳化硅陶瓷（SiC）,靜環(huán)選用浸澤碳石墨（M106K）組對(duì)。

碳化硅具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，它與強(qiáng)氧化性物質(zhì)只有在500～1000℃高溫下才起反應(yīng)，幾乎耐所有酸、堿。碳化硅陶瓷耐熱性好，在1600℃下不變化，極限工作溫度可達(dá)2400℃、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗熱震性好。

石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，其化學(xué)穩(wěn)定性很高，在空氣中400℃以下穩(wěn)定，除強(qiáng)氧化性介質(zhì)如王水、鉻酸、濃硫酸及鹵素外，可耐其它酸、堿、鹽類(lèi)及一切有機(jī)化合物的腐蝕。石墨具有極好的自潤(rùn)滑性，良好的導(dǎo)熱性和低的線(xiàn)脹系數(shù)使其具有良好的熱穩(wěn)定性。耐熱沖擊性好，驟冷驟熱不會(huì)發(fā)生破裂，與其它材料對(duì)磨時(shí)不易蓄熱，不會(huì)引起局部溫升過(guò)高，且抗壓強(qiáng)度高，適用做軟材料的摩擦副。

石墨和碳化硅組對(duì)，其摩擦系數(shù)在0.03～0.1之間，且硬度高，耐磨性好，可用于含顆粒介質(zhì)中。

動(dòng)環(huán)密封圈選用硅橡膠O型圈。硅橡膠具有很寬的溫度使用范圍（-100～350℃）和很高的熱穩(wěn)定性，一般可在200～300℃下長(zhǎng)期使用。

靜環(huán)密封圈選用氟橡膠O型圈。氟橡膠具有耐高溫、耐油及多種化學(xué)藥品浸蝕的特點(diǎn)。

其它部位的密封圈分別采用硅橡膠及氟橡膠O型密封圈。

彈簧材料選用哈氏合金，哈氏合金具有高抗腐蝕性及強(qiáng)度。

擋圈選用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有較好的耐腐蝕性，很高的耐熱性和耐寒性。

密封箱體選用304通用不銹鋼。

底托盤(pán)選用316L低碳不銹鋼，性能優(yōu)于304不銹鋼。

2.3.封端面設(shè)計(jì)

密封端面是由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)二個(gè)零件組成的，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封端面為了有效地工作，相應(yīng)地做成一寬一窄。軟材料做窄環(huán)，硬材料做寬環(huán)，使窄環(huán)被均勻地磨損，而不嵌入寬環(huán)中去。

端面寬度在材料強(qiáng)度、剛度足夠的條件下，盡可能取小值。過(guò)大的寬度將使端面潤(rùn)滑、冷卻效果降低，端面磨損、泄漏、功率消耗增加，而且加工量增加。

2.4.環(huán)、靜環(huán)的設(shè)計(jì)

動(dòng)環(huán)用定位環(huán)固定在動(dòng)環(huán)座上，動(dòng)環(huán)座上的4個(gè)凸起嵌入動(dòng)環(huán)上的4個(gè)凹槽，帶動(dòng)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，而動(dòng)環(huán)座與軸套是一體的。軸套通過(guò)緊定螺栓與軸固定，用以傳動(dòng)及防轉(zhuǎn)。

靜環(huán)背面有凹槽，通過(guò)圓柱銷(xiāo)與靜環(huán)座固定，兩個(gè)柱頭螺栓從側(cè)面固定靜環(huán)，防止脫落。動(dòng)環(huán)座通過(guò)兩個(gè)平鍵固定在上、下托盤(pán)上，使其只能做軸向移動(dòng)，靜環(huán)座卡環(huán)用于固定靜環(huán)座與上、下托盤(pán)上，使其不能從托盤(pán)上脫落。

2.5.助密封圈的設(shè)計(jì)

動(dòng)、靜環(huán)的輔助密封采用了O型橡膠密封圈加聚四氟乙烯擋圈的設(shè)計(jì)，密封部位在動(dòng)、靜環(huán)的背面，這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)密封方式的改進(jìn)。傳統(tǒng)輔助密封單獨(dú)使用O型橡膠密封圈，其壓縮量不好掌握，壓縮量小了，密封性能差；壓縮量大了，會(huì)使安裝困難，摩擦阻力增大，且浮動(dòng)性差，而這些因素在很大程度上影響機(jī)械密封的性能，特別是在高壓介質(zhì)的情況下，傳統(tǒng)方式的密封圈容易變形失效。新的輔助密封方式解決了上述問(wèn)題，在這種情況下，O型密封圈采用高的壓縮比，被限制在凹槽中，不易變形失效，而聚四氟乙烯是極好的密封材料，用它作擋圈與O型密封圈配合猶如給O型密封圈加了防護(hù)層，精磨后與動(dòng)、靜環(huán)貼合，具有很好的密封性。這種結(jié)構(gòu)賦予了動(dòng)、靜環(huán)極高的浮動(dòng)性。

2.6.簧比壓和端面比壓的計(jì)算

彈性元件施加到密封端面單位面積上的力叫做彈簧比壓，用ps表示

式中Fs----單個(gè)彈簧的彈性力，單位：N；

ns----彈簧數(shù)量；

A-----密封端面的面積，單位：m2彈簧比壓的作用是當(dāng)介質(zhì)壓力很小或波動(dòng)時(shí)，仍能維持一定的端面比壓，使密封端面貼緊，保持密封作用。

彈簧比壓與密封介質(zhì)壓力、零件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式以及密封端面的平均線(xiàn)速度等因素有關(guān)。

通常，低壓時(shí)彈簧比壓選低值，高壓時(shí)彈簧比壓選高值。

采用橡膠材料做輔助密封的結(jié)構(gòu)，彈簧比壓可選低些；而采用聚四氟乙烯做輔助密封的結(jié)構(gòu)，彈簧比壓應(yīng)選高些。

對(duì)于內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封，彈簧比壓取低值；外裝式平衡型，彈簧比壓取高值。

根據(jù)密封端面平均線(xiàn)速度的不同，彈簧比壓的選擇范圍可參考表2.1

表2.1.械密封彈簧比壓的選擇

釜用機(jī)械密封由于反應(yīng)釜操作特點(diǎn)，如密封介質(zhì)為氣相，軸擺動(dòng)大，操作壓力、溫度及介質(zhì)相態(tài)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速較低等原因，應(yīng)選擇較大的彈簧比壓。

作用在密封端面單位面積上凈剩的閉合力叫做端面比壓，以pc表示。當(dāng)忽略輔助密封摩擦力時(shí)，斷面比壓等于作用在密封端面單位面積上閉合力與開(kāi)啟力之差除以密封端面面積。即：

式中Fc----閉合力，單位：N；

Fe----開(kāi)啟力，單位：N；

A-----密封端面的面積，單位：m2開(kāi)啟力一般是由密封端面間流體膜壓力pe引起的使密封端面分開(kāi)的力，pe與介質(zhì)壓力p1有如下關(guān)系：

式中λ稱(chēng)做介質(zhì)反壓系數(shù)，它表示密封端面間液膜平均壓力與密封流體壓力之比，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值見(jiàn)表2.2

表2.2.同密封工況的反壓系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值

本設(shè)計(jì)密封介質(zhì)和封液為一般液體，取λ=0.5

為了保證機(jī)械密封具有長(zhǎng)久的使用壽命和良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓。端面比壓是決定密封端面間存在液膜的重要條件，因此一般不宜過(guò)大，以避免液膜蒸發(fā)，磨損加劇。當(dāng)然從泄漏量角度考慮，也不宜過(guò)小，以防止密封性能變差。

2.7.簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)方法很多，對(duì)于機(jī)械密封用的彈簧，通常是根據(jù)選定的彈簧比壓ps和密封端面接觸面積A來(lái)計(jì)算彈簧的工作載荷F2，再根據(jù)選定的彈簧材料及假定的彈簧中徑D2、彈簧絲徑d0及工作圈數(shù)n進(jìn)行計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)尺寸并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

[1]GB5894-86機(jī)械密封名詞術(shù)語(yǔ)[S]

[2]HG/T 2269-2003釜用機(jī)械密封技術(shù)條件[S]

[3]HG/T 2098-2001釜用機(jī)械密封系列及主要參數(shù)[S]

[3]李繼和、蔡紀(jì)寧、林學(xué)海.機(jī)械密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

[4]上海化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)院編.機(jī)械密封[M].北京：.燃化工業(yè)出版社，1976